Авторами идеи создания цифровых двойников или цифровых близнецов (digital twins) стали инженеры NACA. Впервые этот термин появился в публикации 2003 года статьи профессора Центра управления жизненным циклом и инновациями в Технологическом институте Флориды Майкла Гривса – «Цифровые близнецы: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода».
Разъяснения понятия digital twins доктора философских наук, вице-президента по исследованиям программного обеспечения GE Global Research Center Колина Дж. Пэррис: «Цифровые близнецы — это гибридная модель (одновременно физическая и цифровая), которая создается специально для определенных целей бизнеса, например, предсказать неудачи, снизить затраты на обслуживание, предотвратить незапланированные отключения».
Принцип создания цифрового двойника подразумевает создание математической модели, которое посредством оборудование и программного обеспечение объединяет в себе физический и цифровой мир. Т.е. для конкретного физического объекта, оборудования, процесса, создается математическая модель, которая описывает все его поведение в дальнейшем. Максимально допустимая погрешность между работой цифрового двойника и реального объекта не должна превышать 5%.
Таким образом цифровой двойник это общий результат нескольких сложных технологий и фундаментальных наук. Чаще всего она является визуальным представлением физического объекта – 3D технологии или виртуальная реальность (VR). В идеале – повторяет процесс работы в точнейших деталях. Все физические, технологические и бизнес-процессы описываются с помощью математики – технологии искусственного интеллекта (AI). А чтобы придать всему этому динамичности на помощь приходит интернет вещей (IIoT) – концепция сети передачи данных между физическими объектами («вещами»), оснащёнными встроенными средствами и технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой.Встроенные на объект датчики передают информацию о текущем состоянии объекта в режиме реального времени. И это отражается в цифровом двойнике.
Цифровые двойники могут отображать работу компонента в сложной системе, или же представляя собой совокупность многих частей или даже многих систем.
Эксперты выделяют три типа двойников: цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP), цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI) и агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA).
- DTP (прототип). Это виртуальный аналог реального объекта. Он содержит все характеристики модели, в том числе информацию по его созданию в реальных условиях. Это требования к производству, трехмерная модель объекта, описание технологических процессов и услуг, требования к утилизации.
- DTI (экземпляры). Информация, описывающая физический объект. Чаще всего содержат аннотированную трехмерную модель, данные о материалах, используемых в прошлом и настоящем времени, и компонентах, информацию о выполняемых процессах во всех временных отрезках, итоги тестов, записи о проведенных ремонтах, операционные данные, полученные от датчиков, параметры мониторинга.
- DTA (агрегированный двойник). Вычислительная система, которая объединяет все цифровые двойники и их реальные прототипы и позволяет собирать данные и обмениваться ими.
Применимость цифровых двойников для бизнеса.
Предприятиям малого и среднего бизнеса скорее всего будет достаточно только цифровой 3D-модели, которая в отличие от двойника, статична и не отражает состояние объекта в режиме реального времени. Или наоборот, детально отражает текущее состояния объекта без виртуального визуального ряда. Например, в дизайне интерьера необходимо представить сочетаниематериалов отделки, мебели и предметов интерьера в пределах помещения. В то время как для авиационного тренажёра необходимо максимально полное моделирование поведения реального воздушного судна в различных ситуациях и технические особенности эксплуатации самолета.
Для больших компаний – гигантов рынка, как правило в высокотехнологических отраслях,цифровые двойники стали незаменимыми помощниками. Благодаря им значительно сокращается процесс проектирования будущего производства, минимизируются риски ошибок, продлевается срок работы оборудования. Все это позволяет получить максимальную отдачу от инвестиций.
Старший консультант VYGON Consulting Дарья Козлова отмечает, что нефтегазовая отрасль всегда была одной из передовых в плане внедрения технологий и сегодня «дополнительными стимулами этому служат сохраняющиеся невысокие цены на нефть, увеличение конкуренции со стороны электромобилей и возобновляемых источников энергии».
Другой аналитик VYGON Consulting Яна Фешина отмечает, что сейчас практически все большие компании используют отдельные цифровые технологии: роботов, дроны, дополненную реальность и визуализацию. При этом IT-корпорации прогнозируют, что в скором времени центр прибыли в нефтегазовом секторе сместится к ним в связи с повышением зависимости рентабельности «нефтянки» от анализа больших данных.
Эксперты объединились в своих предсказаниях, что в скором времени потребители продуктов смогут пользоваться цифровыми двойниками в повседневной жизни. Причем с целью не только улучшения работы какого-то устройства, но и с целью улучшения качества человеческой жизни.
Рынок цифровых двойников.
Возможности, которые представляют потребителям технологии digital twin, заставили обратить пристальное внимание на нее практически всех ведущих компании мира.В итоге по данным аналитиков Gartner в 2017 году цифровые двойники вошли в десятку главных стратегических технологических трендов года.
Опросы, проводимые аналитиками Gartner, показывают, что в 13% организаций, реализующих проекты Интернета вещей, уже применяются цифровые двойники, а в 62% либо начинают их создание.
По данным консалтинговой компании ABI Researchрынок промышленных цифровых двойников в настоящий момент времени составляет 3,5 млрд. долларов. По их прогнозам в 2030 году рынок будет составлять 33,9 млрд. долларов. Темпы среднегодового роста составляют 29%.
В ABI Research полагают, что к 2026 году степень внедрения цифровых двойников в мире достигнет 34,9%.
В настоящее время лидерами рынка по внедрению данной технологии является Соединённые Штаты Америки. Однако по прогнозам экспертов Китай должен догнать их к 2024 году.
В совокупности на долю Северной Америки и Европы в 2017 году пришлось более 50% доли рынка в связи с высоким уровнем внедрения промышленного IIoT и наличием развитой инфраструктуры в этих регионах. Крупными игроками на рынке цифровых двойников являются ABB Group; Hexagon Geosystems; PTC; Dassault Systèmes; AVEVA Group; Schneider Electric; Siemens.
Российский рынок
Лидером рынка цифровых двойников в России является нефтегазовая и нефтехимическая промышленность. Использование цифровых двойников скважин помогает экономить компаниям от 5 до 20% капитальных затрат. Один из примеров применения данной технологии в нефтегазовой отраслиэто цифровые двойники скважин. Скважины оснащены всевозможными датчиками, передающими в систему информацию в точке добычи. Далее на основании выработанных алгоритмов и данных от скважин принимаются решения о режиме бурения, необходимости ремонта, или прогнозируются ситуации о возможных неполадках в оборудовании и авариях. Среди российских компаний над проектами «умных» скважин работают такие компании, как «Газпром нефть», «Роснефть» и ЛУКОЙЛ.
По данным сайта ПАО Газпром, предприятие получило патент на собственную цифровую разработку — Систему управления инженерными данными (СУПРИД). Система формирует электронные модели производственных установок — цифровые двойники, включающие в себя инженерно-техническую документацию и 3D-модель объектов. Сейчас СУПРИД охватывает Московский и Омский НПЗ «Газпром нефти», позволяя на 20% сократить временные затраты на выполнение регламентных мероприятий по эксплуатации, ремонту и обслуживанию. Экономический эффект от внедрения системы на нефтеперерабатывающих заводах компании оценивается более чем в 700 млн. руб. в год.
«Роснефть» так же активно развивается с 2019 года в этой области. На сайте компании опубликована информация, что компанией запущен проект информационная система «Цифровое месторождение» на базе Илишевского месторождения «Башнефти». Опыт, полученный в ходе реализации пилотного проекта на Илишевском месторождении, будет востребован на всех месторождениях «Роснефти». Масштабирование технологий только в рамках «Башнефти» позволит получить дополнительно порядка 1 млн. тонн нефти за счёт оптимизации производства. Экономический эффект составит порядка 1 млрд. рублей в год. Информация взята с сайта
Игорь Богачев, генеральный директор компании «Цифра»предполагает, что от внедрения технологий искусственного интеллекта в нефтегазовый сектор и электроэнергетику способно принести агрегированную экономическую выгоду в размере 631 млрд. руб.
В 2017 году КАМАЗ заключил соглашение с Siemens о внедрении на производстве решений цифровых двойников. В результате на сегодняшний момент уже разработаны 3D-модели 28 единиц станков с ЧПУ и 20 универсальных станков, а также более 50 единиц различного технологического оборудования (роботы, манипуляторы, кантователи, рольганги). 3D-модели применяются при моделировании механообработки и сборки, а также для размещения оборудования на 3D-планировках заводов.
РХТУ им. Менделеева и компания «Свобода» сейчас ведут работу над созданием цифрового двойника реактора смешения. «В реакторе изучается несколько параметров: pH, скорость вращения мешалки, температура, давление. Получая эти данные, учёные моделируют цифрового двойника. Сейчас с его помощью уже можно отследить, что произойдёт, если изменить диаметр трубки (уменьшится или увеличится давление?), или поменять скорость перемешивания», — описывают процесс на сайте университета.
Свое применение цифровые двойники нашли и в медицине. Уже несколько лет в Нижегородском государственном университете имени Лобачевского ученые разрабатывают цифровую копию человека с точными аналогами жизненных систем. Нейродвойник человека позволит контролировать физическое состояние пациента и предупреждать риски развития заболеваний. В перспективе это даст работникам возможность в онлайн-режиме отслеживать данные о здоровье пациентов и состоянии медицинского оборудования.
Внедрение новейших цифровых технологий идет очень быстрыми темпами, но есть и сложности в этом процессе. По оценкам экспертов, только треть энергоблоков в России готовы к созданию цифровых двойников. В целом в российских компаниях сохраняется тенденция старения основных фондов. Две трети оборудования это старое оборудование — турбины, котлы, генераторы.Многое было введено в эксплуатацию еще в советское время, не имеет установленных датчиков, проектной документации и математических моделей в электронном виде. Характеристики такого оборудования сильно отличается от паспортных данных из-за износа. Оснащать такое оборудование с нуля очень трудоемко, материально затратно и часто невозможно.
Так же ввиду специфики судостроительной отрасли её цифровизация идет очень медленными темпами. Хотя применение цифровых двойников в судостроении могло бы ускорить процесс строительства кораблей и упростило бы их дальнейшую эксплуатацию. Сложности внедрения новых технологий обусловлены в первую очередь тем, что 90% судостроительной отрасли России сосредоточено на строительстве военных кораблей. Применение цифровых двойников может привести к утечке секретной информации, что негативным образом скажется на обороноспособности государства.
Несмотря на все сложности этого процесса, развитие цифровых технологий не стоит на месте. В настоящее время в Министерстве строительства и ЖКХ обсуждаются проекты моделирования цифровых двойников для каждого российского города численностью более 100 тысяч человек. Губернатор
Санкт-Петербурга в феврале 2020 года анонсировал создание цифрового двойника города. Сайт Правительства города приводит слова Александра Беглова: «Новый ресурс должен обеспечить полный контроль за всеми объектами — не только городскими, но и федеральными, муниципальными и частными. В этой системе мы должны четко понимать и видеть, в каком состоянии находится каждый объект, независимо от формы собственности. Это обязательное условие. Мы должны идти не частями — «островками», а как по «сплошному ковру», последовательно сканировать всю территорию — кварталами и районами, чтобы ни один объект не выпал из поля зрения, из зоны нашего контроля».
МС
